西北农林科技大学《食品生物工程》拓展学习资料
谷物制品的生物加工
摘 要：
谷物类食品含有丰富的碳水化合物、脂肪、蛋白质、膳食纤维等营养成分，在我国居民的膳食结构中占有重要的地位。已有研究表明，对谷物进行适当的生物加工处理会显著提高其制品的营养价值、增加其在人体的消化吸收利用率，并且能改善谷物制品的风味和食用品质、增强其功能活性。本文从发酵角度介绍了生物加工技术在谷物制品的运用情况。本文以中国传统米酒为例，介绍了米酒在酿造过程中的发酵及糖化技术原理，简要介绍了米酒的生产流程，并对中国传统米酒行业的产业现状及未来发展进行了探讨。
关键词：谷物；发酵；生物加工；传统米酒
谷物种类繁多且富含多种营养成分，如碳水化合物、脂肪、蛋白质、膳食纤维、矿物质、维生素等，是人类获取能量及营养素的主要来源;同时含有多种生理活性成分如多糖、多酚、γ-氨基丁酸等，具有降血糖、抗氧化、预防生物大分子损伤、降血压等功能[1,2]。利用微生物发酵、酶制剂水解及发芽处理等形式对谷物进行加工，其本质是利用酶(微生物酶，商业外源酶以及植物内源酶)的作用，实现改变谷物及制品的结构和组成，改善其加工性能、增强其功能活性的目的。不同的生物加工方法、工艺条件对谷物制品营养成分、风味、稳定性、功能活性及加工特性的影响不同。全面深入解析不同生物加工技术对于谷物制品营养及功能特性的影响，可以在理论上丰富谷物工艺学的研究内容，尤其是在营养成分变化、食用品质改善、功能活性提高以及加工性能改良等方面。此外，在实际应用中能更好地选择和优化食品加工条件，满足消费者对于营养健康食品的需求，同时对于扩大谷物深加工领域的发展空间，拓展谷物制品种类，研发新型功能性食品，指导谷物制品的深加工研究和高质化利用具有重要意义。
天然谷物通过发酵能增加赖氨酸、蛋氨酸和色氨酸含量，提高B族维生素的利用率[3]。谷物中的植酸通常与铁、锌、钙等结合，发酵过程中微生物分泌植酸酶将植酸水解为肌醇和磷酸盐，使得与植酸相结合的金属离子释放出来，从而增加可溶性铁、锌、钙离子的含量。同时，发酵能够延长发酵型谷物饮料的货架期，改善其口感和风味，在发酵过程中形成的多种挥发性成分如乙酸、丁酸等会赋予产品独特的风味。此外，发酵能够使淀粉颗粒的大小更加均匀，淀粉糊粘度、衰减值和回生值等均明显下降、老化速度变快及老化后的再糊化变慢，还可以增加淀粉凝胶组织的细腻程度和凝胶强度[4]。相较于传统发酵乳制品，以谷物为基质的发酵食品更具有高膳食纤维、低脂肪和低胆固醇等优点[3]。谷物中含有低聚糖，可作为益生元选择性地刺激人体肠道中乳酸杆菌与双歧杆菌的生长;淀粉等谷物组分还可作为益生菌微胶囊化的材料以提高其在贮藏过程中以及在人体消化道中的存活率[5]。因而发酵谷物制品将成为发酵食品工业发展的重要方向。
中国传统米酒,通常以大米(包括粳米、籼米和糯米)等谷物作主要原料,以酒药(酒曲和小曲)为糖化发酵剂,经自然发酵得到的低度酒精饮料,其历史悠久、种类繁多且产地分布广泛。
传统米酒的酿造是自然开放条件下多菌种多酶参与的一类典型动态双边发酵过程。米酒的发酵需要添加酒药作为糖化发酵剂,在糖化过程中,依靠酒药中的糖化菌(一般认为以霉菌为主)分泌各类水解酶将大米原料中的大分子物质分解为可直接被微生物利用的小分子物质,同时通过酒药中的发酵菌(主要是酿酒酵母)代谢发酵产生酒精;在这一系列的动态过程中,糖化菌也参与了米酒风味物质的代谢合成,最终赋予米酒极其多样化的营养特点,和各色独特的风味口味表现。在这种复式发酵方式下,酒曲中复杂的微生物种群和丰富的酶系随着发酵进行不断变化。米酒酿造中,目前已较为清楚酒精发酵主要依靠酿酒酵母,但针对发酵过程中糖化阶段的微生物、特别是酶系的变化及其作用缺乏系统的研究,而糖化过程对于米酒酿造微生物的生长、酵母的发酵以及风味物质的产生都有较重要的影响。
中国米酒酿造微生物复杂多样。目前的研究大部分针对酒药中的微生物。糖化发酵剂酒药在制作过程中,自然接种了多种细菌和真菌,产生了多种酶和代谢物[6]。米酒在进入酿造之后,酒药中的微生物与酶、尤其是丝状真菌和糖化相关的酶系,随着酿造地进行其种类和丰度也在不断发生变化,同时参与糖化、液化和风味形成,对中国米酒的发酵过程和最终质量有十分重要的影响[7]。 随着研究手段的发展进步,人们对米酒酿造糖化微生物的认识逐渐加深。二十世纪中期,研究人员就意识到酒药中根霉的糖化水解能力较强。上世纪末,李金生等[8]通过对苏州甜酒药中的根霉进行糖化发酵力的测定,总结评价了根霉菌在米酒酿造糖化过程的糖化性能,所用的研究方法也广为后来研究人员借鉴。况启生等[9]通过纯种强化从孝感米酒酒药中分离出优良米酒酿造菌,制作出了酶系更丰富的优质酒药。
以饮用水、糯米、黑米、大米中的一种或几种为主要原料，通过添加或不添加玉米、薏米、高粱米、黑豆、芝麻、莲子、核桃仁、洋葱、枸杞、大枣、罗汉果、玫瑰茄、紫苏、薄荷、蒲公英、百合、黑枸杞、水果果汁或浓缩果汁、食用类花卉、食用螺旋藻粉、蛹虫草、啤酒麦芽、啤酒花、人参（人工种植四年生或五年生）、燕窝中的一种或几种、酒曲经过发酵、过滤后通过添加或不添加白砂糖、麦芽糖、果葡糖浆、三氯蔗糖、黄原胶、卡拉胶、琼脂、结冷胶、二氧化碳、低聚木糖、冰糖、蜂蜜、木糖醇、纳他霉素、焦亚硫酸钾、食用香精，经调配、过滤、杀菌（或不杀菌）、灌装、包装加工制成的米酒，属于其他发酵酒。感孝米酒的具体生产流程见附录 1。
近年来,随着米酒行业的发展,出现了多样的米酒品类。米酒依靠其多元化的受众群体和较好的保健功能,越来越受到广大消费者、尤其是年轻消费者的青睐,其市场发展迅速,有着较广阔的发展前景。我国米酒虽然酿制历史悠长,但由于缺乏对其品质特征及酿造机理深入的科学研究,导致其现代化生产进展缓慢。
据了解，低度酒是一类古老又新潮的酒精饮品，通常指酒精含量低于15% vol.的酒精饮料，相对于高度酒，其消费场景更为丰富，例如可用于休闲自饮、社交聚会以及商务宴请等多种场合。而随着Z世代崛起，低度潮饮成为新潮流。数据显示，2017-2021年，中国低度酒销售市场规模整体保持高速增长态势。到2021年我国低度酒销售市场规模为4433.7亿元，同比增站33.8%；预计2022年将突破5000亿元，达到5342.6亿元左右。近年来随着90后、95后逐渐成为我国酒水消费的中坚力量，酒精饮料的消费结构也在随之发生变化。与60后、70后等老一代消费者喜欢“不醉不归”相比，当下的年轻消费群体更喜欢“微醺”的饮酒状态，这种状态让他们即可以享受到饮酒的快乐，也不会对身体造成太大的负担，因此低度酒饮是他们的首选。
女性消费群体成为饮酒新势力，推动低度酒饮多元化、健康化。除了Z世代崛起因素外，女性消费者的崛起也使得低度潮饮流行。这主要是因为一直以来女性饮酒率远低于男性，但近年来女性饮酒率则显著上升，两性饮酒率差距逐渐缩小，女性也日渐成为新的饮酒力量。同时相比男性，女性消费者更加偏好柔和的口感和清香果味，以及更注重健康管理，追求天然低卡，因此对酒饮有着更多的需求，既要“颜值即正义”，还要好喝易入口，还要低糖低卡低嘌呤。女性的这些需求使得预调鸡尾酒、果酒、硬苏打气泡 酒等新酒饮逐渐流行，推动着整个低度酒饮更加多元化、健康化。由此可见，我国米酒市场也将因此受益。
因此目前市场上的米酒种类繁多，常见有孝感米酒、麻城老米酒、陕西朱鹮黑米酒、广东红米酒等。其中，以湖北孝感米酒多为大众熟知，它是一种具有近千年历史的地方小吃，发展可追溯至光绪年间。同时孝感麻糖米酒产业带动“朱湖糯米”种植面积约3万亩，辐射周边种植面积近10万亩，不仅带动了产业发展，同时促进了农民增收。
目前孝南区共有麻糖米酒企业30余家、产值过亿元企业3家，完成年产值过10亿元。每年消化糯米、大麦、芝麻等原材料约5万吨。拥有“爽露爽”米酒、“亲亲”食品、“港荣”蒸蛋糕、“神龙”麻糖、“孝丰”香米、“楚惠香”莲藕等200余个食品和农产品品牌，创建省级以上精品名牌13个。爽露爽米酒、神龙麻糖、福良山碧剑茶等40余个食品品牌先后在全国和省内获得各种食品交易博览会评比金奖，“三品一标”（无公害、绿色、有机食品和地理标志保护产品）总数达到102个，肖港小香葱、朱湖糯米、野猪湖胖头鱼、孝感七仙红桃等4个产品获评国家地理标志保护产品。受益于市场向好，近几年来每年都会新增数千家米酒相关企业，使得企业数量不断增多，竞争逐渐加剧。有数据显示，目前我国共有米酒相关企业1.76万家。其中广西以3740家企业数量排名第一；个体工商户数量较多，达1.47万家，占总数的84%；注册资本在100万元以内的米酒企业较多，占比在44%。
中国传统米酒生产多采用酒药为糖化发酵剂,固态或半固态的发酵方法[10]。一般认为,米酒酿造中糖化作用主要依靠酒药提供的糖化微生物,故酒药对于传统米酒的酿造至关重要。由于不同酒药的内在差异目前并不清楚,长期以来,缺少明确的指标参数对酒药进行快速分类或品质评价,不同酒药的特点通常需要较长时间的发酵实验才能确定[11]。此外,米酒的固态发酵也存在发酵过程控制困难和产品品质批次不稳定等问题[12]。近年来酶法酿造和液态发酵等新型米酒酿造技术开始受到关注。张洋洋等[13]探索了液态发酵米酒的最适条件,为液态方式酿造米酒提供科学思路;邹凌波等[14]尝试了用复合酶替代酒药进行液化和糖化,用纯种酵母进行发酵的纯酶纯种米酒酿造新工艺,得到了品质与传统酿造法米酒相差不多的纯种纯酶酿造法米酒。这些研究虽然一定程度提高了米酒酿造的可靠性,但并未对传统酿造过程的微生物和酶系系统全面地探究,酿造米酒的品质也存在不足,未能从根本上解决米酒发酵可控性差和品质不稳定的问题。近年来,关于米酒酿造微生物,特别是酒药微生物的研究逐渐受到关注,为深入了解米酒酿造糖化剂酒药中重要的酿造微生物提供了参考。
谷物食品富含营养成分，对人类健康有很大益处。谷物加工过程中使用发酵、酶解和发芽等生物加工技术，能保留和改善谷物原本的营养价值、改良谷物制品口感风味，尤其在增加其功能性成分含量等方面具有一定优势。但是目前针对生物加工引起谷物制品中活性成分含量变化的研究多停留于表面现象的描述，而对于此现象背后的机制研究不多，且这些功能性成分进入人体消化系统后其生物利用度如何，生物加工过程中谷物中其他成分对于功能性成分的释放、消化和吸收有何影响，以及生物加工条件、操作方式等对谷物中功能性成分的生物利用度影响如何还缺乏深入系统的研究。此外，要生产符合现代消费者需求的谷物制品，所用的生物加工技术还有待进一步的改善与加强。
主要参考文献：
[1] 凌关庭.有“第七类营养素”之称的多酚类物质[J].中国食品添加剂,2000(01):28-37.
[4] 刘晓峰,刘亚伟,刘洁,等.发酵对淀粉理化性质影响的研究进展[J].粮食与饲料工业,2011(04):33-35.
[5] 谭斌.功能性谷物基质非乳性益生菌的研究展望[J].中国食品添加剂,2006(01):80-86.
[8] 李金生, 沈月英. 苏州甜酒药中的根霉 [J]. 酿酒科技, 1999, 91: 21-23.
[9] 况启生, 李安明, 戴余军等. 孝感民间传统米酒菌株的分离、鉴定与筛选、培养 [J]. 食品科学, 2003, 24(9): 94-96.
[11] 王斯维. 中国传统米酒酒药酿造酶系的研究[D]: [硕士学位论文]. 无锡: 江南大学, 2020.
[13] 张洋洋. 米酒液态发酵的研究[D]: [硕士学位论文]. 无锡: 江南大学, 2021.
[14] 邹凌波. 酶法酿造米酒新技术的研究[D]: [硕士学位论文]. 无锡: 江南大学, 2019.
附录1
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